路面混凝土引气剂评价方法的研究

柯国炬，田 波，王稷良

（交通运输部公路科学研究所，北京 100088）

为改善现代混凝土的抗渗性［1］、抗冻性［2－7］和工作性［8－10］，需要掺入引气剂.JTG F30—2003《公路水泥混凝土路面施工技术规范》也规定滑模摊铺混凝土必须掺入引气剂.

目前中国还没有统一的引气剂评价方法和评价指标.较为普遍的引气剂检测方法是检测新拌混凝土的含气量，而新拌混凝土的含气量与硬化混凝土的抗冻融耐久性并未呈现很好的相关性［11］.因此结合引气剂的作用效果和使用目的，需要建立有效的引气剂评价方法和评价指标，来保证引气水泥混凝土结构物的质量.

引气剂用于路面水泥混凝土已成为常态，研究引气水泥稀浆性能、引气水泥砂浆性能、硬化混凝土含气量以及硬化混凝土气泡结构与混凝土的抗冻融耐久性的对应关系，建立路面混凝土引气剂的评价方法和评价指标，可以为引气剂应用于水泥混凝土路面提供很好的理论支撑和技术支持，对于提高路面水泥混凝土的施工质量至关重要.

1 试验

1.1 原材料

水泥选用金隅牌P·O 42.5普通硅酸盐水泥，其化学组成见表1；细砂为内蒙古天然河砂，细度模数2.28，表观密度2.69kg／m3，黏土含量0.7%（质量分数）；5～25mm 连续级配石灰岩碎石；引气剂（air－entraining agent，AEA）：未知组成的进口引气剂、皂苷引气剂、松香热聚物、烷基硫酸盐和脂肪醇硫酸盐等，使用前均稀释成质量分数为（3.2±0.3）%的溶液，其掺量为0.3%～0.8%（质量分数），各项技术指标见表2.

表1 水泥的化学组成Table 1 Chemical composition（by mass）of cement %

2 试验结果与讨论

2.1 水泥稀浆摇泡试验

摇泡试验可对引气剂的引气性能和气泡稳定性提供一个初步判断.掺有引气剂的水在外力作用下形成泡沫，泡沫破灭形成水，气泡的破灭速率依赖于气泡的流体动力学特性，包括气泡的大小和形状，以及气液界面的移动.初始气泡高度反映了引气剂的引气性能，气泡高度随时间的变化反映了引气剂的稳泡性能.

表2 引气剂的技术指标Table 2 Technical data of air－entraining agent

目前主要存在2 种评价引气剂的摇泡方法：1）一般摇泡法 将300mL水与10mL引气剂相混合，倒入1 000mL 量筒内，振荡30次后产生泡沫，分别记录泡沫和水的刻度以及所对应的时间，其关系如下：

式中：Vd为时间t的排液量，mL；V0为振荡结束时的量筒内液体体积，mL；－1／k 反映泡沫破灭的速率.

式中：D 为摇泡消耗的液体量.

2）水泥稀浆摇泡法 将300mL 水、10mL 引气剂及5g普通硅酸盐水泥相混合，其余同一般摇泡法.选定表2中的6种引气剂，将其稀释为液体溶液，在相同掺量下，分别采用一般摇泡法和水泥稀浆摇泡法来评价各引气剂的引气性能和稳泡性能.2种摇泡法试验结果见表3，4.

由表3，4 可以看出，相同条件下，摇泡耗液量多，初始气泡高度偏大，则引气剂的引气能力偏强；若－1／k偏小，则不同时刻的气泡高度变化较小，泡沫稳定性偏好.

由表3，4还可以看出，在其他条件相同的情况下，水泥浆体对引气剂的引气性能有很大影响.同样的引气剂分别采用一般摇泡法和水泥稀浆摇泡法，结果呈现出很大差异：一般摇泡法中引气剂D 的－1／k较小（排液速率较慢），为13.1，引气剂E 的－1／k较大（排液速率较快），为321.0，这说明引气剂D 的气泡稳定性优于引气剂E；在水泥稀浆摇泡法中这种现象则相反，引气剂E的－1／k为45.3，引气剂D 的为158.4.同样对于引气剂M 和S，水泥的掺入影响了二者的初始摇泡消耗液体量，即发泡能力：一般摇泡法试验中，引气剂M 和S的初始摇泡消耗液体量值分别为7.4%和3.0%；水泥稀浆摇泡法试验中则为6.0%和38.1%.从初始摇泡高度看，引气剂M 在水泥稀浆中引气能力减弱，而引气剂S则相反，并且出现较大差异，其引气能力增加幅度较大.2种摇泡方法中，引气剂M 和C的－1／k 变化幅度最大，分别从409.8减小到17.3，从770.9 减小到338.2，这说明引气剂M 和C 在水泥稀浆中的泡沫稳定性变好，可能与水泥稀浆黏度等因素有关.

表3 一般摇泡法试验结果Table 3 Results of normal shaking bubble experiment

表4 水泥稀浆摇泡法试验结果Table 4 Results of thin cement paste shaking bubble experiment

水泥稀浆摇泡试验中，通过对比发现引气剂的引气性能和稳泡性能并不存在对应关系.6 种引气剂均表现出不同的引气性能和稳泡性能.由表4可见，初始气泡高度最大的是引气剂C，说明其引气性能最佳；引气剂M，S和E的气泡高度随时间变化较小，说明其稳泡性能较好；而引气剂M 的初始气泡高度最小，引气性能最差.

比较2种摇泡法的初始耗液量D，发现一般摇泡试验的D 值较小，且差异不大；水泥稀浆摇泡试验的D 值明显较大，且差异明显.这可能与水泥稀浆体系的离子和引气剂中的表面活性组分作用方式及效果有关，水泥稀浆震荡液泡膜的厚度在水泥颗粒和表面活性组分的相互作用下大幅增加，且差异明显，表现出来的是初始耗液量D 值的增加和差异化.

因此可认为，一般摇泡法和水泥稀浆摇泡法是2种完全不同的方法，呈现出引气剂在不同体系中的作用特点.可能是因为水泥稀浆的水泥水化离子、体系黏度等物理化学特性的改变，影响了引气剂的引气性能.因混凝土体系与水泥稀浆体系更为接近，故水泥稀浆摇泡法更能反映引气剂在水泥混凝土中的引气性能和稳泡性能.

2.2 砂浆扩展度和插捣密度法

胶凝体系中引气剂由3部分组成：一部分吸附于固体颗粒表面，一部分分散于液相中，还有一部分分散在液相和气相的界面上.因为水泥水化体系的物理化学性质不断改变，所以这3个部分的表面活性剂均处在动态平衡中.吸附在固体颗粒表面的表面活性剂对气泡的形成和稳定基本没有贡献；分散在液相和气相界面的表面活性剂直接影响体系气泡的形成和稳定；分散于液相中的表面活性剂起到过渡的作用，保证吸附在固体颗粒表面的表面活性剂和分散在液相和气相界面的表面活性剂平衡转化.

气泡和孔隙是两个概念，气泡呈球形，表面光滑，起到滚珠轴承的作用，间接补偿微细集料，从而改善流动性，因此砂浆引气的宏观表现是扩展度值变大，表观插捣密度变小.

初始扩展度值和砂浆插捣密度值体现了引气剂的引气性能，砂浆延迟扩展度值和砂浆插捣密度值的变化则反映了引气剂的稳泡性能.

试验部分采用国标中胶砂强度的配合比，同时为了体现引气剂的减水作用和路面水泥混凝土配合比的特点，将胶砂试验的水灰比（质量比）固定在0.4.水泥砂浆试验配合比和结果见表5，6.

表5 水泥砂浆试验配合比Table 5 Mix proportion of mortar

由表6可知，引气剂C的初始扩展度最大，引气剂E 次之，且两者的30min扩展度均未发生改变；引气剂M，B，D 的水泥砂浆初始插捣密度偏大，引气剂C，E，S的偏小，其中引气剂D 的30min插捣密度改变率偏大，其他引气剂的插捣密度改变率不大.这可在一定程度上说明引气剂C，E 的引气和稳泡性能较好；引气剂M 的引气性能较差.引气剂D的初始扩展度较大，但30min扩展度损失很快，插捣密度也改变很多，这说明D 的引气性能较好，稳泡性能很差.砂浆扩展度和插捣密度法的结果与水泥稀浆摇泡试验结论相似.

表6 水泥砂浆试验结果Table 6 Test results of mortar

2.3 混凝土含气量、气泡结构和冻融耐久性

通过对硬化引气混凝土的气泡结构分析，发现引气气泡直径为10μm～1mm.一定的含气量下气泡比表面积与气泡数量、气泡直径成比例关系，大的比表面积意味着存在大量的小气泡.为了保证混凝土的抗冻融耐久性，混凝土的气泡间距应小于0.2mm，同时气泡比表面积应大于24mm2／mm3［12］.

目前的水泥混凝土路面一般采用滑模摊铺施工，是典型的低坍落度混凝土，需要高频振捣.研究发现高频振捣后，新拌混凝土含气量大幅度降低，不同引气剂的混凝土经高频振捣前后气泡结构有很大差异［13－15］.本文研究6种引气剂在低坍落度路面混凝土中引气结构的变化，比较新拌混凝土的含气量和硬化混凝土的气泡结构，分析引气剂评价方法的合理性.相关混凝土试验配合比和坍落度见表7，不同试验条件下对应的试验结果见表8.

根据ASTM C457—98来测定硬化混凝土的气泡参数.采用的硬化混凝土气泡特征参数计算公式如下：

式中：a 为平均气泡面积，μm2；A 为累计气泡面积，μm2；N 为气泡个数.

式中：As为含气量，%；n 为单位面积内的气泡个数；

式中：L 为气泡间距系数；P 为浆体含量（质量分数），%.

表7 混凝土试验配合比和坍落度Table 7 Mix proportion of concrete and slump

由表8可知，新拌混凝土含气量与硬化混凝土含气量出现很大差异，高频振捣15s对混凝土含气量产生较大影响，并且不同类型的引气剂，在高频振捣作用下含气量改变值也不同.高频振捣混凝土硬化含气量与一般混凝土硬化含气量差别不大，但是气泡间距却呈现减小趋势，从某种意义上来看，高频振捣调整了引气混凝土的气泡结构.

由表8中的混凝土300次冻融循环的试验结果可以看出，引气剂C 表现出最好的抗冻性，E 次之；高频振捣混凝土的冻融强度损失率与气泡间距基本呈线性关系；200μm 以内气泡间距的混凝土表现出良好的抗冻性；振捣15s硬化混凝土含气量与气泡间距之间基本呈线性关系.

由表8还可见，经过高频振捣的新拌路面水泥混凝土的含气量并不能很好地反映混凝土的抗冻性；硬化混凝土的含气量和气泡间距以及抗冻融耐久性呈现很好的线性关系，硬化混凝土的含气量越大，其中气泡间距越小，抗冻性越强.

表8 混凝土性能试验结果Table 8 Testing results of concrete performance

2.4 综合分析

水泥稀浆摇泡试验中引气剂C 的引气性能最佳，引气剂E 的稳泡性能较好；砂浆扩展度和插捣密度法中引气剂C 的扩展度和延迟扩展度最大，砂浆插捣密度和延迟砂浆插捣密度最小，引气剂E 次之；高频振捣15s硬化混凝土气泡间距较小的是引气剂E和C，其中引气剂C 的300次冻融循环强度损失率最小.

3 结论

（1）水泥稀浆泡沫性能、砂浆扩展度和插捣密度、硬化混凝土含气量、气泡间距与混凝土冻融耐久性之间有一定的对应关系.引气性能好则水泥稀浆初始气泡高度大、砂浆初始扩展度大、插捣密度小；稳泡性能强则水泥稀浆气泡破灭速度慢、砂浆延迟扩展度和插捣密度变化小；较好的引气性能和稳泡性能对应较大的硬化混凝土含气量、较小的气泡间距和较好的混凝土抗冻融耐久性，同时引气性能和稳泡性能不存在对应关系.建议采用水泥稀浆摇泡法、水泥砂浆扩展度和砂浆插捣密度法或者结合三者对引气剂的性能进行简单评判，最后通过硬化混凝土的气泡结构和冻融耐久性进行验证.

（2）新拌混凝土含气量和硬化混凝土含气量存在很大差异，且关系不明显，高频振捣大幅降低混凝土的含气量，同时调整了混凝土的气泡结构.对于经过高频振捣的路面水泥混凝土而言，硬化混凝土含气量更能反映混凝土的抗冻性.

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